ES3015113B2 - Material cementante y cemento que comprende un material cementante - Google Patents

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0004] MATERIAL CEMENTANTE Y CEMENTO QUE COMPRENDE UN MATERIAL

[0005] CEMENTANTE

[0007] Campo técnico

[0009] La presente invención está referida a nuevo material cementante o conglomerante, y que está fabricado a base de residuos sin utilidad definida, principalmente restos de poda forestal, y que está enfocado a ser utilizado como aditivo al cemento hidráulico tipo Portland, más concretamente como sustitutivo de hasta un 25% del clinker o granulado convencional obtenido por calcinación de caliza y arcilla utilizado en la fabricación de cementos.

[0011] La presente invención está encuadrada dentro del sector de la construcción, concretamente de los materiales constructuctivos como es el cemento, y va dirigida a desarrollar un material cementante que mitigue la utilización de clínker y en segundo lugar convertir un residuo sin uso determinado en un subproducto industrial con lo que supone de ahorro monetario y de impacto medioambiental

[0013] Estado de la técnica

[0015] Como es sabido, el cemento representa, a nivel mundial, alrededor del 10 % de la masa de hormigón, siendo el volumen total de cemento en torno a 4 Gigatoneladas al año. Es sabido que las actividades relacionadas con la construcción generan 7,7 Gigatoneladas de CO2 al año, de las cuales el cemento genera el 36%. Los procesos que más CO2 emiten son los hidrocarburos para la calcinación y descarbonatación de la piedra caliza, relacionados con la producción de clínker. Por tanto, hay un grave problema medioambiental relacionado con las actuales tecnologías de producción de cemento.

[0017] El objetivo de la presente invención se orienta al desarrollo de un material cementante donde se utilicen residuos de desecho, y donde se consiga reducir la cantidad total de cemento utilizado, reduciendo así las emisiones derivadas de la producción de clínker.

[0019] En este sentido, existe abundante bibliografía sobre la problemática medioambiental que causa la producción de clínker. Dado que las emisiones son producidas por la calcinación de piedra caliza, se conoce lo divulgado en el documento “Global strategies and potentials to curb CO2 emissions in cement industry. Journal of cleaner production, 51, 142-161” de Benhelal et al. (2013) donde se establecen diferentes estrategias para mitigar las emisiones derivadas de la producción de cemento, donde se estiman tres estrategias con la meta de reducción de emisiones: a) Ahorro de energía y combustible a través de la optimización de los equipos de las plantas de producción de cemento; b) separación y almacenamiento de CO2 y; c) utilización de materiales cementantes alternativos. Otro estudio en el que también se establecen estas estrategias similares al estudio anteriormente mencionado, es descrito en el documento “Environment, U. N., Scrivener, K. L., John, V. M., & Gartner, E. M. (2018). Eco-efficient cements: Potential economically viable solutions for a low-CO2 cement-based materials industry. Cement and concrete Research, 114, 2-26” de Scrivener et al. En este estudio, además de las estrategias anteriores, plantea también el uso de combustibles alternativos, situando que el uso mundial de "combustibles alternativos" pasara del 3% en 2006 a cerca del 37% en 2050 y que aportara en torno al 15% de la reducción global de las emisiones de CO2.

[0021] La forma típica de mitigar las emisiones es la captura de CO2 tanto en las plantas de producción de cemento como, una vez endurecido, en la superficie del material base cemento (mortero y hormigón) a través de la carbonatación de la matriz cementante, estableciéndose diversas formas de captura de CO2 a través de procesos químicos y físicos en la misma planta de producción.

[0023] También existen técnicas de calcinado alternativas, aunque no están implementadas, solo estudiadas de forma teórica a través de la termodinámica del proceso.

[0025] Otras técnicas de reducción de emisiones de CO2 se basan en la sustitución de clínker por polvos cementantes de otra naturaleza. Existen cementos comerciales con materiales como escorias de alto horno, humo de sílice, cenizas volantes filler calizo, u otros. Además, se han realizado diferentes estudios sobre otras adiciones como serían el filler de árido reciclado mixto, de árido reciclado de hormigón, de cenizas de la quema de biomasa de olivo, maíz, palma entre otros, de escorias de acero inoxidable, de vidrio procedente de pantallas CRT u otros. En este sentido, se sabe que materiales típicos que sustituyen cemento son la ceniza volante, el humo de sílice, filler calizo, metakaolin y escorias de acero.

[0027] Con respecto al uso de residuos como material suplementario cementante, se conocen diversos materiales que se usan con este objetivo. Es sabido que se puede sustituir el 20% del cemento en morteros por vidrio pulverizado con tamaño de partícula pequeño (90% de las partículas menores que 90 µm). También existen valoraciones de ahorro de emisiones en otros estudios en los que se sustituye cemento por vidrio triturado, y se llegan a reducciones del 30% de emisiones al incluir un remplazo del 30% por partículas de vidrio menores del 38µm, sin existir una caída de resistencia notable.

[0029] También es conocido el uso de escorias de acero inoxidable con tratamiento de trituración y calcinado, por ejemplo, para hormigones autocompactantes; o el uso de residuos de construcción y demolición o pulverizados de materiales de construcción como productos cerámico o mármol en mezclas como sustitución de cemento, siendo conocido que con sustituciones de cemento de entre el 10% y el 40% con estos residuos se consiguen resistencias parecidas al cemento convencional.

[0031] En otro orden de residuos, las cenizas de fondo de biomasa, derivadas de la actividad olivarera (orujillo y poda), procedentes de la calcinación en centrales termoeléctricas se han estudiado como material cementante suplementario. Es sabido que la composición de la ceniza de fondo de biomasa de olivo, relacionada con el origen de la biomasa calcinada, influye significativamente en las propiedades de los nuevos cementos eco-híbridos, presentando en algunos casos resultados positivos. Además, se han desarrollado cementos eco-híbridos en los que se combinan mezclas ternarias incluyendo polvo de cenizas de fondo de biomasa de olivo, polvo de árido reciclado mixto. Un ejemplo de ello, es lo divulgado en el documento “Design of a new eco-hybrid cement for concrete pavement, made with processed mixed recycled aggregates and olive biomass bottom ash as supplementary cement materials. Construction and Building Materials, 358, 129417” de Rosales, M.et al.en el que, a través de pruebas de resistencia mecánica realizadas sobre morteros, valora la capacidad cementante de combinaciones entre filler de árido reciclado mixto y filler de cenizas de fondo de biomasa.

[0033] Además de utilizar cenizas de fondo de biomasa del cultivo de la aceituna, se conoce la utilización de residuos de otros cultivos que son calcinados. Es sabido lo divulgado en el document “Biomass ashes from agricultural wastes as supplementary cementitious materials or aggregate replacement in cement/geopolymer concrete: A comprehensive review. Journal of Building Engineering, 40, 102332” deThomas, B. S. et al. donde se indica el estudio de cenizas de cultivos como hojas de bambú, palmeras, hierba elefante, hojas y piel del plátano, paja de arrocera, olivo, paja de trigo y maíz. Este estudio pretende dar luz sobre materiales cementantes suplementarios alternativos, mitigando la huella de carbono de la producción de cemento.

[0034] Teniendo en cuenta todo lo anterior, se puede decir que es sabido de la existencia de materiales cementantes suplementarios que provienen del procesado de cenizas de fondo de la quema de cultivos como la quema de bambú, palmeras, hierba elefante, restos de plátano, paja de arrocera y de trigo y maíz, y olivo. En este sentido, la bibliografía sobre cenizas provenientes de la quema de diferentes vegetales de cultivo es extensa. Para la caracterización de los materiales ya estudiados, se muestra la siguiente tabla en la que desglosa los elementos que contienen cada una de las cenizas. Dada que la bibliografía es amplia, se hace, a modo de resume, una comparativa de esos productos con respecto al cemento portland convencional, se presentan los porcentajes de aumento o reducción de resistencias mecánicas a compresión, véase Tabla 1.

[0037]

[0040] Tabla 1

[0042] En la divulgación “Characterization and properties of blended cement matrices containingactivated bamboo leaf wastes. Cement and Concrete Composites, 34(9), 1019-1023

” deFrías, M., et al, se expone la utilización de bambú.

[0044] En la divulgación “Potential use of date palm ash in cement-based materials. Journal of King Saud University-Engineering Sciences, 31(1), 26-31” deAl-Kutti, W. et al, se expone la utilización de hoja de palmera.

[0046] En la divulgación “Characterization and properties of elephant grass ashes as supplementary cementing material in pozzolan/Ca (OH) 2 pastes. Construction and Building Materials, 73, 391-398” deNakanishi, E. Y. et al, se expone la utilización hierba de elefante.

[0048] En la divulgación “Banana leaves ashes as pozzolan for concrete and mortar of Portland cement. Construction and Building Materials, 54, 460-465.” deKanning, R. C.,et al se expone la utilización de hoja de plátano.

[0050] En la divulgación “Comparative study of the use of different biomass from olive grove in the manufacture of sustainable ceramic lightweight bricks. Construction and Building Materials, 231, 117103” dePérez-Villarejo, L. et al, se expone la utilización de material procedente del olivo.

[0052] En la divulgación “Investigating the performance of cement mortar containing rice straw ash, microsilica and their composite by compressive strength. Int. J. Recent Technol. Eng, 7, 91-94.” dePandey, A., & Kumar, B.se expone la utilización de paja arrocera.

[0054] Estas adiciones conocidas dan un rendimiento limitado, exceptuando las hojas de plátano, estando por debajo de las prestaciones que presenta un cemento convencional. Además, en el cemento que contienen adiciones previamente mencionadas, existen algunas mezclas de mortero y hormigón que han presentado hinchamiento, limitando así su uso en algunas aplicaciones constructivas. Por tanto, el uso de cenizas de fondo de biomasa como material cementante suplementario se ve muy limitado, y se obvia el uso de cenizas de fondo de origen forestal.

[0056] Finalmente, es conocida la existencia de múltiples solicitudes de patentes que versan sobre el uso de cenizas volantes de la quema de carbón como material cementante suplementario; sobre adiciones de humo de sílice y ceniza volante; o cementos de bajo contenido en clínker (60%) incluyendo filler calizo, ceniza volante y sulfato de calcio como, por ejemplo, el documento ES2883122.

[0058] Habida cuenta de las soluciones conocidas en el estado de la técnica y de los problemas arriba indicados que no están resueltos o son resueltos de una manera no satisfactoria, la presente invención presenta un material cementante que mitiga la utilización de clínker con buenos resultados de resistencia, y que, a diferencia de cualquier otro conocido en el estado de la técnica, comprende la utilización de cenizas de fondo de calcinación de origen forestal.

[0060] Explicación del invento

[0062] La presente invención consiste en un nuevo material cementante suplementario, fabricado a base de residuos de desecho y sin utilidad definida, que está destinado como aditivo de cementos hidráulicos, donde este cemento se usa como conglomerante en mezclas de mortero y hormigón, y donde el material cementante comprende

[0063] un filler de ceniza de fondo de calcinación de poda forestal (A),

[0064] además de un filler de árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición (B), y

[0065] un filler de árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición (C); y

[0066] donde la relación entre ellos es tal que:

[0067] 65% - 80% de un filler de ceniza de fondo de calcinación de poda forestal;

[0068] 5 – 17,5% de un filler de árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición; y

[0069] 5 – 17,5% de un filler de árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición;

[0070] donde la poda forestal proviene de troncos, ramas y hojas seleccionadas de entre al menos uno de los siguientes árboles: eucalipto, pino, roble, alcornoque y encina; donde el árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición comprende una cantidad de entre un 30-50% de hormigón, 20-40% de árido natural, 15-35% partículas de naturaleza cerámica; hasta un 3% de material bituminoso, y menos de un 1% de impurezas; y

[0071] donde el árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición comprende una cantidad de entre un 70-95% de hormigón, 5-95% de árido natural, hasta un 3% de partículas de naturaleza cerámica; hasta un 1% de material bituminoso, y menos de un 1% de impurezas.

[0072] Entrando en mayor grado de detalle, la caracterización de cada uno de estos fillers se hace por separado, y las muestras se someten a ensayos de granulometría laser, densidad aparente (UNE 80103:2013 [29]), finura Blaine (Norma Inv E-302.07 [30]), contenido en materia orgánica (UNE 103204:2019 [31]), sulfatos (UNE-EN 1744-1-12:2010 [32]) y cloruros (UNE-EN 15167-1:2008 [33]), además de una fluorescencia de rayos X (UNE-EN 196-2:2014 [34]). Véase Tabla 2 donde:

[0073] (A) es un filler de ceniza de fondo de calcinación de poda forestal,

[0074] (B) es un filler de árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición, y

[0075] (C) es un filler de árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición

[0078]

[0081] Tabla 2

[0083] Entrando en la combinación previamente indicada de:

[0084] 65% - 90% de (A) un filler de ceniza de fondo de calcinación de poda forestal;

[0085] 5 – 17,5% de (B) un filler de árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición; y

[0086] 5 – 17,5% de (C) un filler de árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición.

[0087] la composición de este material cementante, expresado en % sobre el total del peso, es: 50.3% – 54 % de SiO<2>

[0088] 18.3% – 24.2% de CaO

[0089] 8.2% – 8.6% de Al<2>O<3>

[0090] 6.1% – 7.2% de Fe<2>O<3>

[0091] 4.9% - 6.0% de K<2>O

[0092] 3.1% - 3.6% de MgO

[0093] 1.4% - 1.7% de Na<2>O

[0094] 0.001% - 0.6% de SO<3>

[0095] 0.001 – 08 % de P<2>O<5>

[0096] y donde, además, tiene la particularidad de haber entre un 1,65% y 2.01% de contenido de materia orgánica, entre un 0,10% y 0,21% de ácidos solubles en azufre y entre un 0,29% y 0,32% de cloruros respecto del total de la composición.

[0098] Por tanto, hay un primer objetivo en la presente invención que consiste en la definición del material cementante que, frente a los tipos 100% Clinker habituales u otros conocidos dentro del estado de la técnica, tiene la particularidad de estar basado en un filler de restos de poda forestal.

[0100] Por otro lado, hay un segundo objetivo en la presente invención, que consiste en la definición de un cemento que comprende este material cementante, el cual permite que se sustituya un 25% de cemento convencional, y por tanto, se mitiga y reduce utilización de clínker necesario en un cemento convencional del tipo 42.5R, y se aprovecha un residuo de desecho y sin uso determinado en un subproducto industrial, lo cual supone un ahorro económico en cuanto a la producción y reduce sensiblemente el impacto medioambiental con respecto a los materiales cementantes conocidos; es decir, se consigue un cemento con una composición que comprende un 75% de cemento portland convencional de clinker (CEM I 42.5R según UNE EN 196-1) y un 25% del material cementante objeto de la presente invención. Dicho con otras palabras, el segundo objetivo es definir un cemento para mezclas de mortero y hormigón, que tiene una composición que comprende un 75% de material cementante formado íntegramente de clincker; y un 25% de un material cementante como el previamente se ha definido.

[0102] En cuanto a los resultados obtenidos, con un mezcla de porcentaje de filler de cenizas de fondo forestales se sitúa entre 65% y 90% y el filler de residuos de construcción y demolición entre 5% y 17,5%, se obtienen resistencias mecánicas que alcanzan el 83,7% de la resistencia a compresión a los 28 días respecto de un cemento portland convencional con un 100% de clinker; es decir, por encima del 75% de la resistencia de control y por tanto, esto implica que tiene unos resultados aptos para su utilización.

[0104] Por tanto, teniendo en cuenta todos los aspectos anteriores, debido al gran impacto medioambiental que genera la producción de cemento, el uso de esta adición reciclada ternaria en diferentes porcentajes hace que se reduzca la producción de cemento portland con 100% clinker, reduciendo así las emisiones derivadas de esta actividad.

[0106] Como se ha visto, al realizar sustituciones del 25% se alcanza, a 28 días de fraguado, 83.7% de la resistencia a compresión con respecto al cemento constituido por 100% Clinker.

[0108] En este sentido, el material cementante tiene ventajas frente a otra tipología de materiales conocidos, dado que el procesamiento de las cenizas de fondo forestales no es complejo, pudiendo ejecutarse en cualquier molino de impacto. Esta maquinaria existe de forma extendida, por lo que obtener la adición debe estar al alcance en cualquier lugar del planeta.

[0110] Además, el uso de las cenizas de fondo derivadas de la calcinación de poda forestal no tiene un uso fehaciente en la actualidad. Con el desarrollo de este material cementante se consigue dar valor a lo que en principio es un residuo, pudiendo considerarse un subproducto de la industria cementera.

[0112] Por otro lado, el procesamiento del árido reciclado proveniente de residuos de construcción y demolición y el procesamiento de la ceniza de fondo forestal son procesos poco costosos y de poca huella de carbono en comparativa con la producción de cemento convencional; y el procesamiento del árido reciclado de escombros para obtener filler de residuos de construcción y demolición es más costoso que el procesamiento de la ceniza de fondo forestal, pero menor que en comparativa con la producción de cemento convencional.

[0114] El solicitante no conoce un material cementante en el que se reutiliza un material aparentemente de desecho y no utilizado hasta la fecha tan eficaz como el previamente descrito.

[0116] Se ha de tener en cuenta que, a lo largo de la descripción y las reivindicaciones, el término “comprende” y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas o elementos adicionales.

[0117] Descripción de un modo de realización del invento.

[0119] Un ejemplo de realización del invento se basa en los siguientes componentes iniciales, que se pueden ver en la Tabla 3:

[0120] (A) es un filler de ceniza de fondo de calcinación de poda forestal,

[0121] (B) es un filler de árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición, y

[0122] (C) es un filler de árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición

[0125]

[0128] Tabla3

[0130] Se hace un estudio comparativo de un cemento portland convencional (CEM I 42.5R según UNE EN 196-1) con diferentes alternativas de mezclas con los filler A, B y C, donde (B+C) es una mezcla al 50% de los componentes B y C. Los resultados se pueden ver en la Tabla 4.

[0133]

[0134]

[0137] Tabla 4

[0139] El método idóneo para analizar la capacidad cementante que tiene una adición es a través del ensayo normalizado gracias a la norma UNE EN 196-1. El Índice de Actividad Resistente (IAR) define que, bajo una sustitución del 25% del peso del cemento por material cementante objeto de la invención, la resistencia de ese cemento con la adición debe llegar, a los 28 días, a sobrepasar el 80% de la resistencia del mortero control, en este caso con un CEM I 42.5R, lo cual se consigue con amplitud, y por tanto, puede ser considerado como apto para ser utilizado en el sector de la construcción.

[0141] Las mezclas óptimas de en términos de resistencias mecánicas son las que se constituyen de 75%CEM 18.75%A 6.25% (B+C) con 47.13MPa; y 75%CEM 16.5% A 8.5% (B+C) con 48.19MPa a 28 días. Esto implica que la mezcla del material cementante contiene entre un 65% y 90% de filler A y entre un 5% y 17.5% de filler B; y 5% y 17.5% de filler C.

[0143] Se pueden observar también buenos resultados, aunque no suficientemente aptos, para un 100% de filler A y se ve una reducción considerable de las resistencias en el momento que se reduce de 65% el porcentaje de filler A en la mezcla y el porcentaje de los fillers B y C se incrementa respecto de un 35% en la suma de ambos. Esto nos lleva a la consideración de que el material cementante objeto de la presente invención ha de estar basado en filler de ceniza de fondo de calcinación de poda forestal, pero necesitando del aporte de los filler de árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición; y del filler de árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición, aunque estos estén en una menor proporción.

[0145] Si escogemos el mejor resultado de la tabla entre los posibles en los ensayos anteriores, implica que una realización concreta del material cementante tiene la siguiente composición:

[0146] 66% de (A) un filler de ceniza de fondo de calcinación de poda forestal;

[0147] 16,5% de (B) un filler de árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición; y

[0148] 16,5% de (C) un filler de árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición.

[0149] y donde se obtiene un material cementante con la siguiente composición expresada en % respecto del total del peso, de

[0150] 51.12 % de SiO<2>

[0151] 23.53 % de CaO

[0152] 8.12 % de Al<2>O<3>

[0153] 6.12% de Fe<2>O<3>

[0154] 4,95% de K<2>O

[0155] 3.55% de MgO

[0156] 1.39% de Na<2>O

[0157] 0.54% de SO<3>

[0158] 0,68 % de P<2>O<5>

[0159] y donde, además, tiene la particularidad de haber entre un 1,66% de contenido de materia orgánica, entre un 0,20% de ácidos solubles en azufre y entre un 0,30% de cloruros respecto del total de la composición.

[0161] En este sentido, se puede observar también en la siguiente Tabla 5 los resultados del comportamiento mecánico de diferentes realizaciones de adiciones, y su variación a 7, 14 y 28 días. En este cuadro, el último material [75%CEM 25% (A+B+C)] se refiere a la realización concreta previamente especificada.

[0164]

[0167] Tabla 5

[0168] Por tanto, como segundo objeto de la invención, un cemento con una composición de 75% de material cementante de Clinker convencional y 25% de un material cementante como el previamente indicado, se alcanza, a 28 días de fraguado, 83.7% de la resistencia a compresión con respecto al cemento constituido por 100% Clinker, el cual es un material apto constructivo.

[0170] Otro aspecto positivo es que la proyección a 90 días hace que sea esperable en torno a un 86-90% de la resistencia del cemento objeto de la invención con respecto a un cemento tipo portland convencional constituido por 100% Clinker, sobrepasando ampliamente los límites que son entendidos como aceptables para ser utilizado como material constructivo.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES

1.- Material cementante para cementos, que se caracteriza por que comprende una composición expresada en % de peso respecto del total de la composición de:

entre un 65% y 90% de un filler de ceniza de fondo de calcinación de poda forestal; entre un 5% y 17,5% de un filler de árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición; y

entre un 5% y 17,5% de un filler de árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición.

2.- Un material cementante, según la reivindicación 1, donde la poda forestal proviene de troncos, ramas y hojas seleccionadas de entre al menos uno de los siguientes árboles: eucalipto, pino, roble, alcornoque y encina.

3.- Un material cementante, según la reivindicación 1, donde el árido reciclado mixto procedente de residuos de construcción y demolición comprende una cantidad de entre un 30-50% de hormigón, 20-40% de árido natural, 15-35% partículas de naturaleza cerámica; hasta un 3% de material bituminoso, y menos de un 1% de impurezas.

4.- Un material cementante, según la reivindicación 1, donde el árido reciclado de hormigón procedente de residuos de construcción y demolición comprende una cantidad de entre un 70-95% de hormigón, 5-95% de árido natural, hasta un 3% de partículas de naturaleza cerámica; hasta un 1% de material bituminoso, y menos de un 1% de impurezas.

5.- Un material cementante, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la composición de este material cementante, expresado en % sobre el total del peso, es:

50.3% – 54 % de SiO<2>

18.3% – 24.2% de CaO

8.2% – 8.6% de Al<2>O<3>

6.1% – 7.2% de Fe<2>O<3>

4.9% - 6.0% de K<2>O

3.1% - 3.6% de MgO

1.4% - 1.7% de Na<2>O

0.001% - 0.6% de SO<3>

0.001 – 08 % de P<2>O<5>

6.- Un material cementante, según la reivindicación anterior, donde la composición además comprende entre un 1,65% y 2.01% de contenido de materia orgánica, entre un 0,10% y 0,21% de ácidos solubles en azufre y entre un 0,29% y 0,32% de cloruros respecto del total de la composición.

7.- Cemento para mezclas de mortero y hormigón, que se caracteriza por que tiene una composición que comprende

un 75% de material cementante formado íntegramente de clinker; y

un 25% de un material cementante según el definido en cualquiera de las reivindicaciones anteriores.